Harlin: Lisäarvoa biomateriaaleista

Transcription

Harlin: Lisäarvoa biomateriaaleista
Lisäarvoa biomateriaaleistaesimerkkinä biomuovit
Lieksan Puuakatemian seminaari 21.5.2014
Professor Ali Harlin, D.Sc.
VTT Technical Research Centre of Finland
Bioeconomy – lisäarvon laajentaminen
Arvo
Biopolymeerit, komposiitit…
Pinnoittet
liimat…
Lääkkeet
Lääke ja
kosmetiikka
Kosmetiikka
Biomateriaalit
Biomaterialit
Biokemikaalit
Hake, pelletit,
kaasutus…
Volymi
Biopolttonesteet
Biopolttoaineet
liikenteeseen
Bioenergia,
lämpö
ja
Bioenergialämpö
ja sähkö
Sähkö
teollisuudelle
ja talouksille
teollisuudelle
ja kotitalouksille
Sellu, paperi Puutuotteet,
ja kartonki viestint
ään,
pakkaamiseen ja
sellu,
pehmopapereihin
sek
ä puutuotteet
mm. rakentamiseen
paperi
and kartonki
Korjuu ja logistiikka
27/05/2014
Uuden osaamisen
kerryttäminen
Investoinnit
uuteen
Uudet
materiaalit,
teknologiaan
ja
tuotteet
ja palvelut
liiketoimintoihin
Globaali verkostoituminen
T&K ja innovaatiot
Bioenergia
tuotteet
Nykyisten
tuotteiden
kilpailukyky
Modified from the source: Metsäteollisuus ry
2
2
Eco-efficient materials
Ajurit
Goals
Keveys
Vähentää
Kierrättää
Korkea suorituskyky
Öljyn korvaaminen
Niukkaresurssisuus
Uudistua
27/05/2014
Raaka-aine tehokkuus
3
Click to
VTT’s
status
edit Master
as performer
title style
of R&D work
Click to edit Master text styles
Second level
Basic research
Third level
UNIVERSITIES
Fourth level
Fifth level
Applied research
Development
27/05/2014
VTT
INDUSTRY
4
Ekotehokkaat Materiaalit
Click to edit Master title style
Ajurit
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Vähentää
Fourth level
Tavoitteet
Keveys
Korkea suorituskyky
Fifth level
Kierrättää
Öljyn korvaaminen
Niukkaresurssisuus
Uudistaa
27/05/2014
Raaka-aine tehokkuus
5
Termoplastiset
komposiitit
Tutkimus
Click
to edit Master
- lingiini
kuitukomposiitin
kehitys-title style
esimerkki
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
Plasticization and melt compounding
(Brabender Plasti-Corder 50 cm3 batch)
27/05/2014
Injection moulding
(Thermo-Haake Mini-Jet)
Tensile
testing (Instron
4505)
6
Click to edit Master title style
Biocomposites
VTT on kehittänyt muovipuu teknologiaa komposiiteille, jotka sisältävät
jopa
Click
to edit Master text styles
80 paino-% puukomponenttia.
Second
level
Muovien
työstöteknologiat
avaavat uusia mahdollisuuksia biokomposiiteille
Third level
Suulakepuristuksen
metritavarasta
Fourth level
Ruiskuvalettuun kappaletavaraan
Fifth level
Laajennetaan raaka-ainepohjaa
•Uudet tuotteet
•Uusi muotoilu
•Materiaalikustannusten
aleneminen
•CO2-neutraali
•Öljyn hinnan
aleneva
vaikutus
27/05/2014
7
Biokomposiittien
prosessikehitys
Click
to edit Master
title style
Nykyiset prosessit muovien valmistuksesta
Click to edit
Master text vaatii
styles
Prosessikehitys
biokomposiiteille
Second level
Biomateriaalien
erikoispiirteiden huomioiminen
Third level
Uudet suunnitteluperusteet
Fourth level
Uudet tuotteet
Fifth level
Mallinnus
Uudet prosessointiteknologiat
Laitteiden modifiointi
Syöttölaitteet
Sekoittimet
Työkalut
27/05/2014
Extrusion line for WPC
profiles in K2004 Exhibition
8
Biokomposiittien kehitys
Click to edit Master title style
Komposiiteista on tullut merkittävää teollista toimintaa
Puu-muovi, WPC
Click
to edit muovi
Master
text+ lisäaine
styles
Synteettinen
+ puu
Muovi
+
Puu
Second level
Luonnonkuitu
komposiitti,
Third
level NFC
Synteettinen
hartsi level
+ luonnonkuitu + lisäaine.
Fourth
Muovi
Fifth level
Biokomposiitti
Biopolymeeri + luonnonkuitu + lisäaine.
Luontaisesti lujitettu komposiitti, NRPC
Hartsi + puu/luonnonkuitu + lisäaine.
Bio-based Composites
Green Composites
Natural Composites…
27/05/2014
+
Luonnonkuitu
+
Luonnonkuitu
Biopolymeeri
+
Biopolymeeri
Standardontitarpeita
• terminologia
• tuotteet
• testaus
• LCA
Nano
9
Ekotehokkaat
Click
to edit Master
materiaaliratkaisut
title style
huonekalurakentamiselle
Click to edit Master text styles
Ekotehokkuus ja kannattavuus
Second
level – pidennä käyttöikää - kierrätä – valitse laatu
Vähennä
Third
level ratkaisut yhdistettynä käyetttävyyteen
Ekologiset
Tuotantotehokkuus
alentaa valmistuskustannusta
Fourth level
Fifth level
Biokomposiittien suorituskyky
Biomuovien ja komopsiittien hyödyntäminen
Muovintyöstötekniikat kappaletavaralle
35% vähemmän painoa ja 45% vähemmän CO2
CASE: Puustelli Ecokitchen
Eettisesti ja kestävästi tuotettu ISO
14025 sertifikaatin mukainen keittiö,
jossa hyödynnetty keveiden
materiaalien ja valmistusmenetelmä
etuja
Helppohoitoiset ja kestävät pinnat
Ohut ja läpinäkyvä AddSol® sol-gel pinnoite
Likaa hylkivä ja helppo puhdistaa
Metallit, puu, muovi ja tekstiilit
27/05/2014
10
puustelli ekokeittiö 2012
Click to edit Master title style
Irtokalustejärjestelmän osat:
-runko
-edusta
-taso
-laatikko
Click to edit Master text styles
Pienkertopuurunko
Second level
Ruiskupuristettu
puukomposiittirunko
Third level
Ekotehokkuuden kriteerejä:
Fourth level
-kevyt
-vähän osia
Fifth level
-hyvät, kauniisti kuluvat materiaalit
-pitkä ikä
-kehdosta kehtoon kierrätysmateriaalit
LCA
-> tuotesuunnittelu
-> työmenetelmäkehitys
=> tuotteistus
Pursotettu biokomposiittirunko.
Ruiskupuristettu
puukomposittilaatikkorunko
Matalapainepuristettu
laatikko biohajoavaa
komposiittia
11
Copy right Juhani Salonius
Puustelli
Click to
Miinus
edit Master
keittiö title style
Click to edit Master text styles
Second level
Third level
Fourth level
Fifth level
12
Pakkausteollisuus
Globaalin pakkausteollisuuden liikevaihto 2013 lähestyy 600
Mrd EUR, joka koostui pääasiassa konvertoiduista
materiaaleista.
Primääripakkausmarkkina on fragmentoitunut eri materiaalien,
konvertointitekniikoiden ja pakkaustekniikoiden kesken.
Kuljetuspakkaus aaltopahvin dominoima.
Teollisuuspakkaus pääasiassa aaltopahvia, muovikalvoja sekä
eri tyyppisiä minikontteja.
Aaltopahvi 105 miljoonaa tonnia, muovi 80 miljoonaa tonnia,
kartonki 46 miljoonaa tonnia, biomuovi 1miljoona tonnia.
27/05/2014
13
100% bio-pakkaukset
Kierrätettävät kuitumateriaalit ja
biopolymeerit
Yhteensopivuus pakkaus arvoketjuun
Tehokkaat valmistusratkaisut pakkaus
sovelluksissa
Joustavat työtavat
27/05/2014
14
Mater-bi (Novamont) – Environmental
statements
Biohajoavuus ja kompostoitavuus
Sertifioitu biohajoavuus kompostointi olosuhteissa
biodegradation under composting conditions
Hajoavuus meressä
“Preliminary results show that Mater-Bi films are
subject both to degradation and to biodegradation
in three typical marine environments: on the free
sea water (pelagic domain), on the beach (tidal zone)
and on the bottom of the sea (benthic domain).”
Biopohjaiset raaka-aineet
“The different types of Mater-Bi® are made using
natural and synthetic raw materials“
Kaikki käytetyt polymeerit biohajoavat (tärkki + Ecoflex)
Ei GMO tärkkelystä
“A small fraction of starch is used to produce bioplastics”.
27/05/2014
Source: www.novamont.com 2012
15
Bio-ethanol in polymer manufacturing
Etanolia tuotetaan käyttämällä glukoosia biomassasta (myös
hydrplyysisokeri)
Etanolista saatavat monomeerit
Eteeni
Etyleeni glykoli (eteenin hapetus)
Propeeni (eteenin metateesi)
VCM ,1,4-butanidioli (asetaldehydin kautta) sekä useimmat petrokemian tuotteet.
CO2 päästön alenema perustuu uusiutuviin raaka-aineisiin ja niiden
ekologisuuteen.
Raaka-aineen saatavuus ja hinta sekä saanto sokerista (käyttäminen tuottaa
CO2) aiheuttavat keskustelua
27/05/2014
16
Sustainable development is coming
Braskem sokeripohjainen HDPE vuodesta 2009.
Johnson&Johnson, Danone, Tetrapak.
Coca-Cola julkaisi 2009
PlantBottle jossa 30%
bioosuus ja tavoitteena 100 %
PET muoville.
Natureworks PLA ollut
markkinoilla jo vuosia, uusia
sovelluksia tulee jatkuvasti (Danone).
27/05/2014
17
Hybrid kartongit – parannettu jäykkyys
MD/CD – ajattelusta monisuuntaiseen lujuuteen
27/05/2014
18
New fibre materials
Uusi tapa lähestyä
pakkausta:
Läpinäkyvyys
Muokattavuus
Painettavuus
27/05/2014
19
Example: Kuituinen läpipainopakkaus
Konsepti:
Kuitupohjaiset läpipainopakkaukset
lisäarvoisessa sovelluksessa
Yksinkertaistetaan pakkausratkaisua
ja vähennetään materiaalien määrää
Hyödynnetään uutta muokattavan
kartongin ja bio barrier -teknologioita
Korvataan muovi ja alumiinipohjaisia pakkauksia
27/05/2014
20
Muokattava kuituraina
Uutta
Kuitupohjainen
Kestävän kehityksen mukainen
Helppo hävittää
Kommunikaatio
Materiaalit VTT
27/05/2014
21
Muokattu hemiselluloosa
Tuotteita muokatusta hemiselluloosasta:
Dispersiot happi ja rasvabarrier pinnoitteisiin
Läpinäkyvät ja taipuisat filmit
Muokattava filmi
Hydrogeelit (hygenienia)
Aktiiviset filmit
Hemicellulose barrier
dispersion (KCL/VTT)
27/05/2014
Flexible hemicellulose film
(FC/VTT)
Hemicellulose hydrogel
(Aca/VTT)
Mouldable hemicellulose film
(VTT)
Heat-activated cellulose film
(FC/VTT)
22
Muokattava raina
Tray packaging demo, Drupa 2012
4 keksintöä:
Vaahtorainaus
Dispersiot
Lämpömuokattavuus
Läpinäkyvyys
Seuraavaksi
Puupohjainen läpinäkyvä syvävedetty
pakkaus
27/05/2014
23
What is nanocellulose?
Valmistus
Esau, Anatomy of seed plants,
1977, Wiley, NY
Aivan uusia
ominaisuuksia
ja suorituskykyä
tuotteille
27/05/2014
Pääkkö et al,
Biomacromolecules,
8(2007)1934
Aalto: Seppälä
VTT
Tuotteet
1,7% kiintoaine
Young´s modulus ≈ 140 GPa
(T. Nishino et al. J.Polym.Sci.,Part B,1995)
Tensile strength ≈ 3 GPa
(D.Page, F. El-Hosseiny, J.Pulp Paper Sci. 1983)
Coefficient of thermal expansion ≈ 0,1 ppm/ºK
(H.Yano, Seminar lecture, Otaniemi 2009)
24
Use of nanocellulose based on patents
Käyttökohteet (MFC)
Komposiittimateriaalit (46, 38%)
Kuitukankaat, absorbentit (22, 18%)
Paperi ja kartonki (20, 16%)
Ruokatuotteet (15, 13%)
Paperin ja kartongin pinnoitus(10, 8%)
Kosmetiikka (4, 3%)
Suodattimet (5, 4%)
NFC applications 13 %
3%
38 %
18 %
16 %
Vuoden 2009 hakemukset
Komposiitit (10), Ruoka (2), Pyyhintä ja
hygienia (2),
Suodattimet (2), Paperi ja kartonki (2),
Paperin ja kartongin päällystys (2)
4%
8%
Data collected by Dr. Juha Merta, Aalto University School of Science and Technology.
27/05/2014
25
Nanocellulose as paper coating
Ohut yhtenäiskerros
Vaahtopäällystys helpottaa
applikointia
Pintaominaisuuksia voidaan muuttaa
tehokkaasti
Vähentää ilmanläpäisyä
Ei tarvita sideaineita
Peruspaperi
NFC-pinnoitettu paperi
27/05/2014
SEM x50 SE images from uncalendered
paper surfaces.
26
Light materials - Selluloosa vaahto
Nanoselluloosa vaahto
Kovia vaahtoja biomateriaaleista
Öljyn korvaaminen
Keveys.
Eristyskyky
Sovelluksissa pakkaamisesta
rakentamiseen
Nanokuituinen selluloosa
Pääkkö et al,
Biomacromolecules, 8(2007)1934
27/05/2014
27
Nanoselluloosa filmit
HDPE filmin kaltainen – puupohjainen
Ei sähköisty
Biohajoava
Painatettava
Myös älykäs painaminen
27/05/2014
28
Bio-barrierit ruokapakkauksissa
Kuivaruuan pussit kartonkipakkauksissa
Korkean barrierin muovien ja alumiinin
korvaus mausteissa ja pitkän hyllyiän
tuotteissa
Fluorokemikaalien korvaus pikaruokapakkauksissa ja rasvaisissa ruuissa
Rasva barrier leipäpakkauksissa
Happibarrier jäähdytetyissä ja
jäädytetyissä ruuissa
27/05/2014
29
Liukosellun tarve
Assuming that constraints to cotton supply will continue
Source: Pöyry 2012
Uudet konseptit
•
•
•
•
•
Vaahtorainaus
3D prinntaus
Paperinarun veto
Prosessikonseptit
Koneet ja laitteet
Pulp fibre yarn Ref. Juha
Salmela VTT
Foam Forming
SUORA Environment
New 3D structures
printed using nScrypt
SUORA VAAHTORAINAUS
KILPAILUKYKYISIÄ PEHMOPEREITA JA KUITUKANKAITA
Uuttamalla
fluffia
Kierrätetty
liukosellu
ADVANCED RAW MATERIAL
COMBINATIONS
Resurssitehokkuus
Lisäarvo ja
ominaisuudet
Surface
active
agents
Nanomaterials
Pulp
Man-made fibers
Vaahto
rainaus
Ultra lightweight
materials
Synthetic
fibers
© Ali Harlin, VTT 2013
Visiomme
Kuitumateriaalit ovat uusiutuvia
• Kierrätys mahdollistaa tehokkaita ratkaisuja
• Ympäristö riski pienenee
• Synergia muovien kanssa
Biomuovien yhdistäminen luo
synergiaa
• Muovit ovat suorituskykyisiä
• Olemassa oleva tuotanto ja logistiikka
• Toimivat tuotteet
• Tulevaisuuden jätteen käsittely: kierrätys ja
energia käyttö
Hyödyntäjät
• Tuotemerkit saavat asiakkailleen kestävän kehityksen tuotteita
• Kemian teollisuus ja materiaali toimittajat saavat uusia lisäarvoisia tuotteita
27/05/2014
34
TECHNOLOGY FOR BUSINESS